風洞試驗

空氣動力學實驗分實物實驗和模型實驗兩大類 。實物實驗如飛機飛行實驗和導彈實彈發射實驗等，不會發生模型和環境等模擬失真問題，一直是鑑定飛行器氣動性能和校準其他實驗結果的最終手段，這類實驗的費用昂貴，條件也難控制，而且不可能在產品研製的初始階段進行，故空氣動力學實驗一般多指模型實驗。空氣動力學實驗按空氣（或其他氣體）與模型（或實物）產生相對運動的方式不同可分為3類：①空氣運動，模型不動，如風洞實驗 。②空氣靜止，物體或模型運動，如飛行實驗、模型自由飛實驗（有動力或無動力飛行器模型在空氣中飛行而進行實驗）、火箭橇實驗（用火箭推進的在軌道上高速行駛的滑車攜帶模型進行實驗）、旋臂實驗（旋臂機攜帶模型旋轉而進行實驗）等。③空氣和模型都運動，如風洞自由飛實驗（相對風洞氣流投射模型而進行實驗）、尾旋實驗（在尾旋風洞上升氣流中投入模型，並使其進入尾旋狀態而進行實驗）等。進行模型實驗時，應保證模型流場與真實流場之間的相似，即除保證模型與實物幾何相似以外，還應使兩個流場有關的相似準數，如雷諾數、馬赫數、普朗特數等對應相等（見流體力學相似準數）。

實際上，在一般模型實驗（如風洞實驗）條件下，很難保證這些相似準數全部相等，只能根據具體情況使主要相似準數相等或達到自準範圍。例如涉及粘性或阻力的實驗應使雷諾數相等；對於可壓縮流動的實驗，必須保證馬赫數相等，等等。應該滿足而未能滿足相似準數相等而導致的實驗誤差，有時也可通過數據修正予以消除，如雷諾數修正。洞壁和模型支架對流場的干擾也應修正。空氣動力學實驗主要測量氣流參數，觀測流動現象和狀態，測定作用在模型上的氣動力等。實驗結果一般都整理成無量綱的相似準數，以便從模型推廣到實物。

風洞一般稱之為風洞試驗。簡單地説，就是依據運動的相對性原理，將飛行器的模型或實物固定在地面人工環境中，人為製造氣流流過，以此模擬空中各種複雜的飛行狀態，獲取試驗數據。這是現代飛機、導彈、火箭等研製定型和生產的“綠色通道”。簡單的説，風洞就是在地面上人為地創造一個“天空”。至於我們國家的風洞為什麼會選擇建在大山深處，那是歷史原因造成的。

風洞試驗中，天平測量得到的模型氣動力在轉換到氣流座標系上時會因為模型迎角測量的誤差引入模型氣動力系數誤差，而此誤差在一些條件下可以佔到總的氣動力系數誤差的25%。因此，準確的迎角測量技術是獲得高精度氣動特性試驗數據的基礎。風洞試驗數據精確度的先進指標要求模型的阻力系數誤差在馬赫數Ma位於0.4～0.9的範圍內時不超過0.0001，這就要求模型迎角的測量誤差不能超過0.01°。 ^[1] 

空氣動力學是世界科學領域裏最為活躍、最具有發展潛力的學科之一。世界各發達國家對空氣動力學的發展都給予了高度重視，不惜花費鉅額資金建設空氣動力試驗設施並開展研究工作。

美國早在80年代中期出台的震撼全球的超級跨世紀工程——“星球大戰”計劃中，就曾把作為基礎學科的空氣動力學放在非常突出的重要位置上。的確，如果不先在空氣動力學上獲得重大突破，這個將耗資1萬億美元的超級工程，很多關鍵技術將無法解決。緊接着在1985年發表的“美國航空航天2000年”中，也把空氣動力學列為需要解決的七個問題中的第一個。而剩下的六個問題中還有四個與空氣動力學有關。這使美國花費鉅額投資研製了每秒20億次的超級計算機專門為空氣動力學研究服務。成功應用在多項科研與型號試驗之中，大大提高了風洞試驗效率，降低了科研與風洞試驗成本，受到了各國航空航天領域科研人員的廣泛關注和深入研究。 ^[2] 

前蘇聯在“十月革命”勝利後的第二年，列寧就下令組建了國家空氣動力研究機構——中央流體動力研究院，並任命“俄羅斯航空之父”茹可夫斯基擔任院長，這一決策為前蘇聯成為世界上另一個航天大國奠定了堅實的基礎。二次大戰之前，斯大林曾下令建造了世界上第一座可用於進行整架飛機試驗的全尺寸風洞。與美國相比，前蘇聯在空氣動力學的整體水平上毫不遜色，甚至在許多方面都領先於美國，它在航空航天領域取得的一系列成就足以説明這一點。

英、法兩國在二次大戰前均為名列前茅的老牌航空先進國家，然而戰後他們突然發現自己比美、蘇等國落後了一截，於是兩國重振旗鼓、奮起直追。在戰後第二年，法國政府便決定把因戰爭和被佔領分散到全國各地的研究機構組織到一起，組建了國家空氣動力研究機構，並在阿爾卑斯山腹地開始創建莫當試驗中心，堪稱世界一流的大功率空氣動力試驗風洞設備。曾經發明瞭世界上第一座風洞的英國人更是不甘落後，除了政府加強對空氣動力學的領導規劃之外，充分利用大學進行基礎學科的研究。據有關資料透露，在英國的46所大學裏，至少有30個以上高水平的空氣動力研究試驗室。

日本在戰後受到限制的情況下，航空工業曾有過長達8年的空白。但在此期間，其基礎研究——空氣動力學則進展神速。僅60年代，就先後仿製出11種飛機，自行設計8種飛機。

風洞實驗既然是一種模擬實驗，不可能完全準確。概括地説，風洞實驗固有的模擬不足主要有以下三個方面。與此同時，相應也發展了許多克服這些不足或修正其影響的方法。

1.邊界效應或邊界干擾

真實飛行時，靜止大氣是無邊界的。而在風洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界

附近的流線彎曲，使風洞流場有別於真實飛行的流場。其影響統稱為邊界效應或邊界干擾。克服的方法是儘量把風洞試驗段做得大一些（風洞總尺寸也相應增大），並限制或縮小模型尺度，減小邊界干擾的影響。但這將導致風洞造價和驅動功率的大幅度增加，而模型尺度太小會使雷諾數變小。近年來發展起一種稱為"自修正風洞"的技術。風洞試驗段壁面做成彈性和可調的。試驗過程中，利用計算機，粗略而快速地計算相當於壁面處流線應有的真實形狀，使試驗段壁面與之逼近，從而基本上消除邊界干擾。

2.支架干擾

風洞實驗中，需要用支架把模型支撐在氣流中。支架的存在，產生對模型流場的干擾，稱為支架干擾。雖然可以通過試驗方法修正支架的影響，但很難修正乾淨。近來，正發展起一種稱為"磁懸模型"的技術。在試驗段內產生一可控的磁場，通過磁力使模型懸浮在氣流中。

3.相似準則不能滿足的影響

風洞實驗的理論基礎是相似原理。相似原理要求風洞流場與真實飛行流場之間滿足所有的相似準則，或兩個流場對應的所有相似準則數相等。風洞試驗很難完全滿足。最常見的主要相似準則不滿足是亞跨聲速風洞的雷諾數不夠。以波音737飛機為例，它在巡航高度（9000m）上，以巡航速度（927km/h）飛行，雷諾數為2.4×10⁷，而在3米亞聲速風洞中以風速100m/s試驗，雷諾數僅約為1.4×10⁶，兩者相距甚遠。提高風洞雷諾數的方法主要有:

（1）增大模型和風洞的尺度，其代價同樣是風洞造價和風洞驅動功率都將大幅度增加。如上文所説俄國的全尺寸風洞。

（2）增大空氣密度或壓力。已出現很多壓力型高雷諾數風洞，工作壓力在幾個至十幾個大氣壓範圍。我國也正在研製這種高雷諾數風洞。

（3）降低氣體温度。如以90K（-1830C）的氮氣為工作介質，在尺度和速度相同時，雷諾數是常温空氣的9倍多。世界上已經建成好幾個低温型高雷諾數風洞。我國也研製了低温風洞，但尺度還比較小。

風洞實驗儘管有侷限性，但有如下四個優點：①能比較準確地控制實驗條件，如氣流的速度、壓力、温度等；②實驗在室內進行，受氣候條件和時間的影響小，模型和測試儀器的安裝、操作、使用比較方便；③實驗項目和內容多種多樣，實驗結果的精確度較高；④實驗比較安全，而且效率高、成本低。因此，風洞實驗在空氣動力學的研究、各種飛行器的研製方面，以及在工業空氣動力學和其他同氣流或風有關的領域中，都有廣泛應用。

近年來風洞技術已成為昆蟲性信息素研究中不可缺少的實驗手段。它用於監測粗提物和分離餾分的生物活性，判斷鑑定出來的性信息素組分是否完整。一般來説，風洞實驗的結果是非常接近於田間情況的；利用風洞實驗可以模擬昆蟲的田間飛翔能力，其中最重要的一項研究是測量昆蟲的飛行週期和飛行的持久性；利用風洞實驗還可以研究性信息素濃度對昆蟲飛行行為的影響。

風洞中流態觀察方法大致為分兩類：第一類是示蹤方法；第二類是光學方法。

示蹤方法 　在流場中添加物質，如有色液體、煙、絲線和固體粒子等，通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形。只要添加物足夠小，而且比重和流動介質接近，顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法，特別適合於顯示定常流動。常用的有絲線法、煙流法、油流法、昇華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種：

①絲線法　將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型後的網格上，由絲線的運動（絲線轉動、抖動或倒轉） 可以判明氣流的方向和分離區的位置以及空間渦的位置、轉向等。圖6為一個模型實驗時機翼的絲線顯示氣體流動圖。又發展到用比絲線更細的尼龍絲，有時細到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理後再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，並且可以拍攝下來。粘絲很細，對模型沒有影響，可同時進行測力實驗。此法稱為熒光絲線法。

②煙流法　用風洞中特製煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設了不少煙風洞。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產生的煙引入風洞；也有將塗有油的不鏽鋼或鎢絲放在模型前，實驗時通電將鎢絲加熱，產生細密的煙霧。為了保證煙束清晰不散，必須採用大收縮比的收縮段、穩定段或風洞入口加裝抗湍流網和採用吸振性能好的材料製造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態。煙流法除用於觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結構。圖7為模型煙流實驗中拍攝的照片。

③油流法　在粘性的油中摻進適量指示劑（如炭黑）並滴入油酸，配製成糊狀液態物，均勻地塗在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結構，顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量熒光染料，則在紫外線照射下可以顯現出熒光條紋圖，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區、激波與邊界層相互干擾等流動現象。圖8為模型油流實驗照片。

④昇華法　將揮發性的液體或容易昇華的固體噴塗在模型表面，依據塗料從模型上散失的速度與邊界層狀態有關的原理（在湍流邊界層內由於氣流的不規則運動導致該處蒸發量或昇華量大於層流處）來區分邊界層狀態，確定過渡點的位置。

⑤蒸汽屏法　在風洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經過光面時，由於離心力的作用，旋渦內外蒸汽的含量是不同的，光的折射率因此不同，便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脱體渦的位置。

⑥液晶顯示法　利用液晶顏色隨温度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物，温度較低時，無色透明，隨着温度上升，便以紅、黃、綠、藍、無色的順序改變，能鑑別有微小温差的層流和湍流邊界層流動以及激波前後的温差。它適用於高速和超聲速流態觀察。液晶的塗法與漆類似，先稀釋，再噴塗。液晶對污物雜質敏感，噴塗時，模型表面必須乾淨。

光學方法 　根據光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理製造出來的光學儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀（見風洞測試儀器）和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形。這種方法不在流場中添加其他物質，不會干擾氣體流動，而且可以在短時間內採集大量的空間數據。它是一種直接顯示方法，特別適合於觀察可壓縮流動和非定常流動，如激波、尾流和邊界層過渡等。

除了以上兩大類方法外，還有一種向流場中注入能量的方法。如在低密度風洞中向氣流發射電子束，使氣體分子激發出熒光，熒光的光通量與氣流密度大小有關。根據光通量的變化，就可以顯示出氣流密度的變化，這種方法可以顯示高超聲速稀薄氣體流動的激波位置和形狀以及用於定量測量流場密度。

70年代後期，發展出一種彩色照相圖示流態觀察技術。它用總壓探管在所測流場區域掃描，並將感受的壓力轉換成電壓值。根據不同的電壓觸發不同顏色的光，在照相機上曝光。通過多種顏色信號光記錄的流場等壓線圖，可以清晰地看到渦旋分佈和飛機模型後的渦流圖像。這項技術最近發展成為直接把傳感器感受的壓力信號記錄在磁帶上，並輸入計算機處理。傳感器探頭可以用壓力探頭也可以用熱絲或熱膜或其他探頭。處理後的數據可由彩色電視顯示。因為不用照相裝置，而代之以計算機，這就帶來了很大的方便：可以一次處理很多數據（可以是一個也可以是好幾個探頭感受的數據）；顯示的顏色可多達4096種（但由於人眼分辨率的限制，常用的也只有20～30種）；對於特別有興趣的區域可以放大和增加顏色詳細顯示；此外，還可以根據需要，旋轉顯示的數據平面，以得到從不同角度觀察的流場彩色顯示圖像。例如，可以在垂直風洞軸線的平面觀察，也可以在平行風洞軸線的平面或其他任意平面觀察。高分辨率的彩色電視屏幕可以用顏色和箭頭表示流動方向。

從常規風洞到特種風洞，從風洞試驗單一手段到三大手段融合，從提供試驗數據到引領型號創新發展……經過40餘年艱苦努力，中國空氣動力研究與發展中心科研能力已躋身世界先進行列。記者日前在該中心科研試驗新區看到，數十座現代化風洞設備星羅棋佈，100餘項國家級重點科研項目全面鋪開，數十個關鍵氣動難題取得歷史性突破。

風洞被稱為“航空航天飛行器的搖籃”，被世界各國視為重要的戰略資源。2010年5月，中國空氣動力研究與發展中心啓動科研試驗新區建設。據中心主任阮祥新介紹，多種新型飛機在科研試驗新區首次實現了模型飛行試驗，上百萬組數據分類入庫，中心已全面具備了風洞試驗、數值計算和模型飛行三大手段。

繼結冰風洞之後，一座座新型風洞在該中心相繼建成：某新型風洞，為我國載人航天、深空探測等提供了先進的地面試驗手段；首座大型航空聲學風洞，為飛行器和地面交通工具氣動噪聲的測試和評估提供了重要的技術支撐；某高超聲速低密度風洞，為我國開展稀薄氣體動力學等學科領域研究打下堅實基礎。

“十二五”以來，該中心完成了載人航天、探月工程等一系列重點工程氣動試驗任務1500餘項，取得了一批具有世界先進水平的創新研究成果，為新型航空航天器研製提供了可靠的氣動數據，在國產大飛機、風力發電機、動車組等民用產品氣動力學和氣動聲學性能設計與評估中發揮了不可替代的作用。 ^[3]